2010-5-16 1
第八章 透射电子显微镜
透射电镜的结构原理
射透电镜的主要性能
2010-5-16 HNU-ZLP 2
2.1 透射电镜的结构原理
目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为 2~3 埃，电压为
100～ 500kV，放大倍数 50~1200000倍。由于材料研究强调综
合分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、
扫描透射电镜,X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其
成为微观形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，
即分析电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。
高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，
具有最佳分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的，
有附件而损失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时
采取短焦距，低分辨时采取长焦距。
我们这里先看一看一些电镜的外观图片，再就电镜共同的
结构原理和日趋普及的分析电镜的有关部分做一介绍。
2010-5-16 HNU-ZLP 3
日本日立公司 H－ 700
电子显微镜，配有双倾台
，并带有 7010扫描附件和
EDAX9100能谱。该仪器
不但适合于医学、化学、
微生物等方面的研究，由
于加速电压高，更适合于
金属材料、矿物及高分子
材料的观察与结构分析，
并能配合能谱进行微区成
份分析。
● 分 辨 率,0.34nm
● 加速电压,75KV－ 200KV
● 放大倍数,25万倍
● 能 谱 仪,EDAX－ 9100
● 扫描附件,S7010
2010-5-16 HNU-ZLP 4
CM200-FEG场发射枪电镜
JEM-2010透射电镜
加速电压 200KV
LaB6灯丝
点分辨率 1.94?
加速电压 20KV,40KV,80KV、
160KV,200KV
可连续设置加速电压
热场发射枪
晶格分辨率 1.4?
点分辨率 2.4?
最小电子束直径 1nm
能量分辨率约 1ev
倾转角度 α=± 20度
β=± 25度
2010-5-16 HNU-ZLP 5
JEM-2010透射电镜
加速电压 200KV
LaB6灯丝
点分辨率 1.94?
EM420透射电子显微镜
加速电压 20KV,40KV,60KV、
80KV,100KV,120KV
晶格分辨率 2.04?
点分辨率 3.4?
最小电子束直径约 2nm
倾转角度 α=± 60度
β=± 30度
2010-5-16 HNU-ZLP 6
Philips CM12透射电镜
加速电压 20KV,40KV,60KV,80KV
,100KV,120KV
LaB6或 W灯丝
晶格分辨率 2.04?
点分辨率 3.4?
最小电子束直径约 2nm；
倾转角度 α=± 20度
β=± 25度
CEISS902电镜
加速电压 50KV,80KV
W灯丝
顶插式样品台
能量分辨率 1.5ev
倾转角度 α=± 60度
转动 4000
2010-5-16 HNU-ZLP 7
21
3
4
4
55
67
8
9
10
1112
13
14
15
16
16
17
18
19
20图 2－ 1
2010-5-16 HNU-ZLP 8
光源
中间象
物镜
试样
聚光镜
目镜
毛玻璃
电子镜
聚光镜
试样
物镜
中间象
投影镜
观察屏
照相底板照相底板
图 2－ 2
2010-5-16 HNU-ZLP 9
电镜一般是电子光学系统、真空系统和供电系统三大部分组成。
一, 电子光学系统
图 2-1 是近代大型电子显微镜的剖面示意图，从结构上看，和
光学透镜非常类似。
1,照明部分
（ 1）阴极：又称灯丝，一般是由 0.03~0.1毫米的钨丝作成 V
或 Y形状。
（ 2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是
阳极接地，阴极带有负高压。
（ 3）控制极：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的
亮度。
阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此，
人们习惯上把它们通称为“电子枪”。
（ 4）聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，
电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光
镜就是为克服这种缺陷加入的，它有增强电子束密度和再一次将发
散的电子会聚起来的作用。
2010-5-16 HNU-ZLP 10
阴极（接
负高压）
控制极（比阴极
负 100~1000伏）
阳极
电子束
聚光镜
试样
图 2-3 照明部分示意图
2010-5-16 HNU-ZLP 11
2,成象放大部分
这部分有试样室、物镜、中间镜、投影镜等组成。
（ 1）试样室：位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过
试样台承载试样，移动试样。
（ 2）物镜：电镜的最关键的部分，其作用是将来自试样不同点
同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构
信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性
散射束会聚于其象平面上，构成与试样组织相对应的显微象。投射
电镜的好坏，很大程度上取决于物镜的好坏。
物镜的最短焦距可达 1毫米，放大倍数约为 300倍，最佳分辨本
领可达 1埃，目前，实际的分辨本领为 2埃。
为了减小物镜的球差和提高象的衬度，在物镜极靴进口表面和
物镜后焦面上还各放一个光阑，物镜光阑（防止物镜污染）和衬度
光阑（提高衬度）
在分析电镜中，使用的皆为双物镜加辅助透镜，试样置于上下
物镜之间，上物镜起强聚光作用，下物镜起成象放大作用，辅助透
镜是为了进一步改善场对称性而加入的。
2010-5-16 HNU-ZLP 12
（ 3）中间镜和投影镜：
中间镜和投影镜和物镜相似，但焦距较长。它的作用是将来
自 物镜的的电子象再放大，最后显示在观察屏上，得到高放大倍
率的 电子象。
（ 4）相对位置
试样、物镜、中间镜、投影镜四者之间的相对位置是：试样
放在物镜的物平面上（物镜的物平面接近物镜的前焦面），物镜
的象平面是中间镜的物平面，中间镜的象平面是投影镜的物平面。
物镜、中间镜、投影镜三者结合起来，给出电镜的总放大倍率。
（ 5）中间镜的衍射作用
中间镜除了起放大作用外，还起衍射作用。这是因为通过减
弱中间的电流，增大其物距，使其物平面与物镜的后焦面相重，
这样就可以把物镜后焦面上形成的电子的电子衍射花样投射到中
间镜的象平面。
2010-5-16 HNU-ZLP 13
近代电镜一般都有两个中间镜、两个投影镜。 30万倍以上成
象时，物镜、两个中间镜和两个投影镜同时起放大作用。低倍时，
关掉物镜，第一个中间镜对试样进行第一次成象，这样因为物距
加长，加之改变投影镜的电流，总的放大倍数可在仪一千倍以下。
图 2-4,2-5是三级放大和极低放大率成象示意图。
三级放大成象示意图
2010-5-16 HNU-ZLP 14图 2-4 （ a）高放大率 （ b）衍射 （ c）低放大率
物
物镜
衍射谱
一次象
中间镜
二次象
投影镜
三次象
（荧光屏）
选区光阑
2010-5-16 HNU-ZLP 15
物镜关闭
无光阑
中间镜
（作物镜用）
投影镜
第一实象
（荧光屏）
???.
普查象
图 2-5 极低放大率象
2010-5-16 HNU-ZLP 16
3,显象部分
这部分由观察屏和照相机组成。
观察屏所在的空间为观察室。由于观察屏是用荧光粉制成的，
所以常称观察屏为荧光屏。观察屏和照象底板放在投影镜的象平
面上，两者隔一段距离。由于电镜的焦深大，尽管观察屏和照相
底板相距十几个厘米，在观察屏上聚好焦后，将屏掀起，在照相
底板上照相，象依然清晰。
有些仪器在观察室与投影镜之间设有辅助观察屏，这个屏上所
成象的亮度为观察室内的二倍，可以用来观察试样在电子束辐照
下的变化，或用 2~5倍双筒观察镜在此观察聚焦的情况。
在分析电镜中，在观察室和荧光屏之间还装有探测器，用来收
集透射电子和散射电子，以形成与常规透射电镜相对应的扫描透
射电镜的暗场象。
在镜筒之下还有电子能损分析仪。工作时，衍射束经扫描线圈
的偏转作用，逐个扫过入射光阑进入电子能量分析仪，不同能量
的电子在静电场或磁场的作用下，产生不同程度的偏转而分散开
来。再用能量选择光阑把不同能量的散射电子挑选出来，经探测
器转换为电脉冲信号，经放大整理后显示在现象管的荧光屏上，
或用 X — Y记录仪描绘下来。
2010-5-16 HNU-ZLP 17
近代电镜配有电视装置，这对动态研究是极为有利的。
二, 真空系统
为了保证电子在整个通道中只与样品发生相互作用，而
不与空气分子碰撞，因此，整个电子通道从电子枪至照相底
板盒都必须置于真空系统之内，一般真空度为 毫米
汞柱。
如果真空度不够，就会出现下列问题：
1）高压加不上去
2）成象衬度变差
3）极间放电
4）使钨丝迅速氧化，缩短寿命
电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、
真空测量仪和管道等部分组成。
2010-5-16 HNU-ZLP 18
三, 供电系统
透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分，
二是供给电磁透镜的低压稳流部分。
电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。
加速电压和透镜电流的不稳定将使电子光学系统产生严重象
差，从而使分辨本领下降。所以对供电系统的主要要求是产
生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。在所有的透镜中，
物镜激磁电流的稳定度要求也最高。
近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操作程序控制
系统和数据处理的计算机系统
2010-5-16 HNU-ZLP 19
2.2 透射电镜的主要性能指标
? 分辨率
? 放大倍数
? 加速电压
2010-5-16 HNU-ZLP 20
一, 分辨率
? 分辨率是透射电镜的最主要性能指标，它表征电
镜显示亚显微组织、结构细节的能力。两种指标：
?点分辨率 — 表示电镜所能分辨的两点之间的最小
距离；
?线分辨率 — 表示电镜所能分辨的两条线之间的最
小距离，通常通过拍摄已知晶体的晶格象来测定，
又称晶格分辨率。
? 图 2－ 6为测量点分辨率和线分辨率的照片。
2010-5-16 HNU-ZLP 21
2010-5-16 HNU-ZLP 22
二、放大倍数
? 透射电镜的放大倍数是指电子图象对于所观察
试样区的线性放大率。目前高性能透射电镜的
放大倍数变化范围为 100倍到 80万倍。
2010-5-16 HNU-ZLP 23
三,加速电压
? 电镜的加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极
的电压，它决定了电子枪发射的电子的波长和
能量。
? 加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可
以观察较厚的试样，同时有利于电镜的分辨率
和减小电子束对试样的辐射损伤。
? 目前普通透射电镜的最高加速电压一般为
100kV和 200kV，通常所说的加速电压是指可
达到的最高加速电压。
第八章 透射电子显微镜
透射电镜的结构原理
射透电镜的主要性能
2010-5-16 HNU-ZLP 2
2.1 透射电镜的结构原理
目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为 2~3 埃，电压为
100～ 500kV，放大倍数 50~1200000倍。由于材料研究强调综
合分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、
扫描透射电镜,X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其
成为微观形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，
即分析电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。
高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，
具有最佳分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的，
有附件而损失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时
采取短焦距，低分辨时采取长焦距。
我们这里先看一看一些电镜的外观图片，再就电镜共同的
结构原理和日趋普及的分析电镜的有关部分做一介绍。
2010-5-16 HNU-ZLP 3
日本日立公司 H－ 700
电子显微镜，配有双倾台
，并带有 7010扫描附件和
EDAX9100能谱。该仪器
不但适合于医学、化学、
微生物等方面的研究，由
于加速电压高，更适合于
金属材料、矿物及高分子
材料的观察与结构分析，
并能配合能谱进行微区成
份分析。
● 分 辨 率,0.34nm
● 加速电压,75KV－ 200KV
● 放大倍数,25万倍
● 能 谱 仪,EDAX－ 9100
● 扫描附件,S7010
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CM200-FEG场发射枪电镜
JEM-2010透射电镜
加速电压 200KV
LaB6灯丝
点分辨率 1.94?
加速电压 20KV,40KV,80KV、
160KV,200KV
可连续设置加速电压
热场发射枪
晶格分辨率 1.4?
点分辨率 2.4?
最小电子束直径 1nm
能量分辨率约 1ev
倾转角度 α=± 20度
β=± 25度
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JEM-2010透射电镜
加速电压 200KV
LaB6灯丝
点分辨率 1.94?
EM420透射电子显微镜
加速电压 20KV,40KV,60KV、
80KV,100KV,120KV
晶格分辨率 2.04?
点分辨率 3.4?
最小电子束直径约 2nm
倾转角度 α=± 60度
β=± 30度
2010-5-16 HNU-ZLP 6
Philips CM12透射电镜
加速电压 20KV,40KV,60KV,80KV
,100KV,120KV
LaB6或 W灯丝
晶格分辨率 2.04?
点分辨率 3.4?
最小电子束直径约 2nm；
倾转角度 α=± 20度
β=± 25度
CEISS902电镜
加速电压 50KV,80KV
W灯丝
顶插式样品台
能量分辨率 1.5ev
倾转角度 α=± 60度
转动 4000
2010-5-16 HNU-ZLP 7
21
3
4
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1112
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19
20图 2－ 1
2010-5-16 HNU-ZLP 8
光源
中间象
物镜
试样
聚光镜
目镜
毛玻璃
电子镜
聚光镜
试样
物镜
中间象
投影镜
观察屏
照相底板照相底板
图 2－ 2
2010-5-16 HNU-ZLP 9
电镜一般是电子光学系统、真空系统和供电系统三大部分组成。
一, 电子光学系统
图 2-1 是近代大型电子显微镜的剖面示意图，从结构上看，和
光学透镜非常类似。
1,照明部分
（ 1）阴极：又称灯丝，一般是由 0.03~0.1毫米的钨丝作成 V
或 Y形状。
（ 2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是
阳极接地，阴极带有负高压。
（ 3）控制极：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的
亮度。
阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此，
人们习惯上把它们通称为“电子枪”。
（ 4）聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，
电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光
镜就是为克服这种缺陷加入的，它有增强电子束密度和再一次将发
散的电子会聚起来的作用。
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阴极（接
负高压）
控制极（比阴极
负 100~1000伏）
阳极
电子束
聚光镜
试样
图 2-3 照明部分示意图
2010-5-16 HNU-ZLP 11
2,成象放大部分
这部分有试样室、物镜、中间镜、投影镜等组成。
（ 1）试样室：位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过
试样台承载试样，移动试样。
（ 2）物镜：电镜的最关键的部分，其作用是将来自试样不同点
同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构
信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性
散射束会聚于其象平面上，构成与试样组织相对应的显微象。投射
电镜的好坏，很大程度上取决于物镜的好坏。
物镜的最短焦距可达 1毫米，放大倍数约为 300倍，最佳分辨本
领可达 1埃，目前，实际的分辨本领为 2埃。
为了减小物镜的球差和提高象的衬度，在物镜极靴进口表面和
物镜后焦面上还各放一个光阑，物镜光阑（防止物镜污染）和衬度
光阑（提高衬度）
在分析电镜中，使用的皆为双物镜加辅助透镜，试样置于上下
物镜之间，上物镜起强聚光作用，下物镜起成象放大作用，辅助透
镜是为了进一步改善场对称性而加入的。
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（ 3）中间镜和投影镜：
中间镜和投影镜和物镜相似，但焦距较长。它的作用是将来
自 物镜的的电子象再放大，最后显示在观察屏上，得到高放大倍
率的 电子象。
（ 4）相对位置
试样、物镜、中间镜、投影镜四者之间的相对位置是：试样
放在物镜的物平面上（物镜的物平面接近物镜的前焦面），物镜
的象平面是中间镜的物平面，中间镜的象平面是投影镜的物平面。
物镜、中间镜、投影镜三者结合起来，给出电镜的总放大倍率。
（ 5）中间镜的衍射作用
中间镜除了起放大作用外，还起衍射作用。这是因为通过减
弱中间的电流，增大其物距，使其物平面与物镜的后焦面相重，
这样就可以把物镜后焦面上形成的电子的电子衍射花样投射到中
间镜的象平面。
2010-5-16 HNU-ZLP 13
近代电镜一般都有两个中间镜、两个投影镜。 30万倍以上成
象时，物镜、两个中间镜和两个投影镜同时起放大作用。低倍时，
关掉物镜，第一个中间镜对试样进行第一次成象，这样因为物距
加长，加之改变投影镜的电流，总的放大倍数可在仪一千倍以下。
图 2-4,2-5是三级放大和极低放大率成象示意图。
三级放大成象示意图
2010-5-16 HNU-ZLP 14图 2-4 （ a）高放大率 （ b）衍射 （ c）低放大率
物
物镜
衍射谱
一次象
中间镜
二次象
投影镜
三次象
（荧光屏）
选区光阑
2010-5-16 HNU-ZLP 15
物镜关闭
无光阑
中间镜
（作物镜用）
投影镜
第一实象
（荧光屏）
???.
普查象
图 2-5 极低放大率象
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3,显象部分
这部分由观察屏和照相机组成。
观察屏所在的空间为观察室。由于观察屏是用荧光粉制成的，
所以常称观察屏为荧光屏。观察屏和照象底板放在投影镜的象平
面上，两者隔一段距离。由于电镜的焦深大，尽管观察屏和照相
底板相距十几个厘米，在观察屏上聚好焦后，将屏掀起，在照相
底板上照相，象依然清晰。
有些仪器在观察室与投影镜之间设有辅助观察屏，这个屏上所
成象的亮度为观察室内的二倍，可以用来观察试样在电子束辐照
下的变化，或用 2~5倍双筒观察镜在此观察聚焦的情况。
在分析电镜中，在观察室和荧光屏之间还装有探测器，用来收
集透射电子和散射电子，以形成与常规透射电镜相对应的扫描透
射电镜的暗场象。
在镜筒之下还有电子能损分析仪。工作时，衍射束经扫描线圈
的偏转作用，逐个扫过入射光阑进入电子能量分析仪，不同能量
的电子在静电场或磁场的作用下，产生不同程度的偏转而分散开
来。再用能量选择光阑把不同能量的散射电子挑选出来，经探测
器转换为电脉冲信号，经放大整理后显示在现象管的荧光屏上，
或用 X — Y记录仪描绘下来。
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近代电镜配有电视装置，这对动态研究是极为有利的。
二, 真空系统
为了保证电子在整个通道中只与样品发生相互作用，而
不与空气分子碰撞，因此，整个电子通道从电子枪至照相底
板盒都必须置于真空系统之内，一般真空度为 毫米
汞柱。
如果真空度不够，就会出现下列问题：
1）高压加不上去
2）成象衬度变差
3）极间放电
4）使钨丝迅速氧化，缩短寿命
电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、
真空测量仪和管道等部分组成。
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三, 供电系统
透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分，
二是供给电磁透镜的低压稳流部分。
电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。
加速电压和透镜电流的不稳定将使电子光学系统产生严重象
差，从而使分辨本领下降。所以对供电系统的主要要求是产
生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。在所有的透镜中，
物镜激磁电流的稳定度要求也最高。
近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操作程序控制
系统和数据处理的计算机系统
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2.2 透射电镜的主要性能指标
? 分辨率
? 放大倍数
? 加速电压
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一, 分辨率
? 分辨率是透射电镜的最主要性能指标，它表征电
镜显示亚显微组织、结构细节的能力。两种指标：
?点分辨率 — 表示电镜所能分辨的两点之间的最小
距离；
?线分辨率 — 表示电镜所能分辨的两条线之间的最
小距离，通常通过拍摄已知晶体的晶格象来测定，
又称晶格分辨率。
? 图 2－ 6为测量点分辨率和线分辨率的照片。
2010-5-16 HNU-ZLP 21
2010-5-16 HNU-ZLP 22
二、放大倍数
? 透射电镜的放大倍数是指电子图象对于所观察
试样区的线性放大率。目前高性能透射电镜的
放大倍数变化范围为 100倍到 80万倍。
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三,加速电压
? 电镜的加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极
的电压，它决定了电子枪发射的电子的波长和
能量。
? 加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可
以观察较厚的试样，同时有利于电镜的分辨率
和减小电子束对试样的辐射损伤。
? 目前普通透射电镜的最高加速电压一般为
100kV和 200kV，通常所说的加速电压是指可
达到的最高加速电压。
